1 前言

　近年來(lái)興起的生物特征識(shí)別技術(shù)具有很好的可靠性。虹膜作為重要的身份鑒別特征，具有唯一性、穩(wěn)定性、可采集性和非侵犯性等優(yōu)點(diǎn)。與臉像、聲音等身份鑒別方法相比，虹膜具有更高的準(zhǔn)確性。據(jù)統(tǒng)計(jì)虹膜識(shí)別的錯(cuò)誤率是各種生物識(shí)別中最低的。目前，虹膜識(shí)別系統(tǒng)可應(yīng)用于電子商務(wù)、條件登錄、授權(quán)支付、權(quán)限信息和金融交易等領(lǐng)域。本文提出了基于TMS320DM642 DSP的虹膜識(shí)別系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)方案。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由五個(gè)部分組成，分別是圖像采集、圖像處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖像顯示和電源部分。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2.1 圖像采集

　　圖像采集是將CCD攝像機(jī)采集到的虹膜圖像，經(jīng)高精度的A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字虹膜圖像。A/D轉(zhuǎn)換器采用TI公司的TVP5145芯片，其采樣精度達(dá)到10bit，輸出支持CCIR-656和BT656等格式。

　　2.2 圖像處理

　　數(shù)字多媒體處理器TM320DM642屬于TI公司C6000系列，是一款新型高性能的DSP。它是整個(gè)虹膜識(shí)別系統(tǒng)的核心。它的任務(wù)是對(duì)得到的數(shù)字虹膜圖像進(jìn)行處理和識(shí)別，將處理的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將識(shí)別的結(jié)果送到LCD顯示器進(jìn)行顯示。

　　TMS320DM642基于C64x內(nèi)核，采用高級(jí)甚長(zhǎng)指令字(VelociTI)體系結(jié)構(gòu)。具有64個(gè)32位通用寄存器，8個(gè)獨(dú)立計(jì)算的功能單元。它可在600MHz時(shí)鐘速率工作，每個(gè)指令周期可并行執(zhí)行8條32位指令，峰值計(jì)算速率可達(dá)4800MIps。TMS320DM642有L1和L2兩級(jí)緩存，第一級(jí)包括L1P(16KB)程序緩存和L1D(16KB)數(shù)據(jù)緩存;第二級(jí)緩存L2(256KB)可靈活配置成緩存或片上內(nèi)存。TMS320DM642具有64個(gè)獨(dú)立通道的EDMA(擴(kuò)展的直接存儲(chǔ)器訪問(wèn))控制器，負(fù)責(zé)片內(nèi)L2與其它外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。DM642具有豐富的外圍設(shè)備接口：包括三個(gè)可配置的雙通道視頻接口(Video Port)，可以和視頻輸入，輸出或傳輸流輸入無(wú)縫連接;具有多通道音頻串行端口(McASP)，便于音頻應(yīng)用開發(fā);10/100Mbps以太網(wǎng)口(EMAC)，便于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用;66MHz32bit的PCI接口;以及64 bit的外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)，可連接異步或同步的存儲(chǔ)器，如SDRAM。此外，還具有I2C總線模塊、數(shù)據(jù)管理輸入輸出模塊(MDIO)等。

　　TM320DM642具有以上的特點(diǎn)，能滿足虹膜圖像處理的實(shí)時(shí)性要求。

　　2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分包括FLASH、SDRAM和CF卡三部分。FLASH存儲(chǔ)器具有可在系統(tǒng)進(jìn)行電擦寫，掉電后信息不丟失的功能，用它來(lái)保存系統(tǒng)自啟動(dòng)代碼以及系統(tǒng)程序代碼，本系統(tǒng)選用ATMEL公司的AT29LV020 FLASH芯片，它是NOR型的FLASH芯片，總?cè)萘繛?56KB，數(shù)據(jù)總線為8位。DSP 選擇了EMIFA boot模式時(shí)，上電后自動(dòng)從CE1空間裝載程序，所以FLASH 必須接在EMIF的CE1空間。SDRAM存儲(chǔ)器的存取速度較高，用它來(lái)存放系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的代碼以及臨時(shí)圖像數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)選用四片三星公司的SDRAM K4S561632E，每片為16位，32MB，接在DSP的EMIF接口的CE0空間。CF卡接在EMIF的CE2空間，用來(lái)存儲(chǔ)原始圖像數(shù)據(jù)和識(shí)別結(jié)果。

　　2.4 圖像顯示

　　圖像顯示部分采用數(shù)字LCD，可省去數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，而只需一片可編程邏輯器件CPLD驅(qū)動(dòng)LCD，該CPLD選用Altera公司的MAX3000系列。

　　2.5 電源部分

　　電源部分在系統(tǒng)的硬件部分中占有重要的地位，它將影響到整機(jī)能否可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，要著重考慮以下兩點(diǎn)：第一、要有一套保證DSP芯片內(nèi)核和I/O能同時(shí)上電的解決方案，這樣避免對(duì)芯片造成損害。本系統(tǒng)采用D型邊沿觸發(fā)器來(lái)開關(guān)電源輸出，很好的解決了這個(gè)問(wèn)題;第二、在高速電路板中，開關(guān)的電磁輻射和線路噪音會(huì)干擾器件的實(shí)際工作電壓，而DSP芯片一般要求工作電壓偏差不超過(guò)5%，否則，長(zhǎng)時(shí)間工作在非正常電壓容易縮短芯片壽命甚至于燒毀。因此，本系統(tǒng)中特別設(shè)計(jì)了電壓監(jiān)控電路來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓。根據(jù)本系統(tǒng)特點(diǎn)，采用了TI公司的TPS3307芯片。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主程序運(yùn)行在DSP中，完成虹膜圖像處理的全部算法。虹膜識(shí)別的流程圖如圖2所示。識(shí)別過(guò)程是：先用攝像機(jī)拍攝眼睛圖像，然后進(jìn)行圖像預(yù)處理(虹膜定位、增強(qiáng)等)，再對(duì)虹膜特征進(jìn)行分析，與存儲(chǔ)的虹膜特征進(jìn)行模式匹配，最后得出識(shí)別結(jié)果。在這過(guò)程中，虹膜定位、特征分析和匹配是重要的部分。

　　3.1 虹膜定位

　　本系統(tǒng)采用CCD攝像機(jī)拍攝到細(xì)節(jié)較清晰的眼睛圖像。虹膜是眼睛瞳孔和鞏膜間的環(huán)形可視部分。虹膜定位，即是確定虹膜的內(nèi)外邊緣。一般而言，瞳孔灰度值比虹膜灰度值小，而虹膜灰度值又比鞏膜灰度值小。因此，先以眼圖的灰度平均值為尺度，取得眼圖的二值化圖像。再選取合適的較小的閾值就可粗略定出瞳孔的邊界。然后用取圖像最大連通域和二值圖像形態(tài)學(xué)的方法較精確地定出瞳孔的邊緣范圍。最后將圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)和邏輯運(yùn)算，可消除瞳孔內(nèi)部的光照的影響。這樣可較好定出虹膜的內(nèi)邊緣，并通過(guò)對(duì)邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)值求平均的方法確定出瞳孔圓心。在確定虹膜外邊緣時(shí)，要選擇較大的合適閾值大致定出虹膜與鞏膜的邊界。其余步 驟基本與定內(nèi)邊緣的類似。這樣定位的方法速度快，避免了搜索的盲目性。

　　3.2 虹膜的相位匹配算法

　　虹膜圖像的紋理特征具有唯一性，不同人的虹膜紋理是不一樣的。在虹膜自動(dòng)識(shí)別中通常是先存入一幅已知圖像(基準(zhǔn)子圖)作為模板，再對(duì)任一輸入圖像(實(shí)時(shí)圖)進(jìn)行匹配比較，判斷兩者的關(guān)系。

　　由于虹膜成像過(guò)程中引入的主要是高頻成份的非線性幾何失真，且虹膜圖像的頻譜能量主要集中在低頻區(qū)域。所以本系統(tǒng)采用基于低通濾波和傅里葉頻譜的相位相關(guān)算法。該算法原理為：對(duì)基準(zhǔn)子圖和實(shí)時(shí)圖分別求出離散傅里葉變換。將兩圖變換結(jié)果的乘積取復(fù)共軛得到它們的互功率譜，歸一化后，便得到對(duì)應(yīng)于這個(gè)功率譜的相位譜，然后對(duì)相位譜求逆傅里葉變換，得到相位相關(guān)函數(shù)。

　　此功率譜的相位譜包含了兩圖之間差異的信息。當(dāng)兩圖一樣時(shí)，相位相關(guān)函數(shù)是δ脈沖函數(shù);當(dāng)兩圖不一樣時(shí)，相位相關(guān)函數(shù)不能形成δ脈沖函數(shù)。因此，相位相關(guān)函數(shù)可以用來(lái)度量?jī)蓤D之間的相似程度。并且相位相關(guān)算法具有較高的匹配精度。此外，還由于相位相關(guān)函數(shù)對(duì)于灰度值及其尺度的變化是不敏感的，所以，這種算法不易受這些誤差因素影響。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本系統(tǒng)對(duì)虹膜圖像進(jìn)行判斷和識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明同一人的虹膜圖像的相位相關(guān)函數(shù)是δ脈沖函數(shù)，其相位相關(guān)面如圖3所示。不同人的虹膜圖像的相位相關(guān)函數(shù)不能形成δ脈沖函數(shù)，其相位相關(guān)面如圖4所示。由于圖像信息高頻部分具有噪聲干擾，為獲得較好的效果，取低頻部分信息進(jìn)行比較。從圖中可知，同一人的虹膜圖像有一致性，相位相關(guān)函數(shù)幅值最大值為1。而不同的人的虹膜圖像比較的結(jié)果圖中則是雜亂無(wú)章的，無(wú)規(guī)律可尋。兩個(gè)圖的區(qū)別非常明顯。

　　圖3 同一人的虹膜圖像比較結(jié)果 圖4 不同人的虹膜圖像比較結(jié)果

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了一種基于DSP的虹膜識(shí)別系統(tǒng)。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)識(shí)別率較高，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。本系統(tǒng)已經(jīng)完成調(diào)試，效果良好，具有廣泛的應(yīng)用前景。